重度低氧血症典型表现较为明显，患者往往会有明显的呼吸困难，呼吸频率可能会增快到30次/分钟以上。同时，口唇、甲床会出现明显的发绀现象，也就是呈现出青紫色。
呼吸系统表现
呼吸急促：重度低氧血症时，呼吸会变得非常急促，一般呼吸频率能超过30次/分钟。这是身体试图通过加快呼吸来获取更多氧气的一种表现。呼吸困难加重：患者会感觉喘气特别困难，好像空气很难进入肺部，严重时可能会出现三凹征，即胸骨上窝、锁骨上窝和肋间隙在吸气时明显凹陷。
全身表现
面色苍白或发绀加重：除了口唇、甲床发绀外，面色会显得苍白，而且发绀情况比轻度低氧血症时更严重。精神状态改变：患者可能会出现烦躁不安的情况，随着病情进展，还可能变得嗜睡，甚至意识模糊。这是因为身体各器官尤其是大脑得不到充足氧气供应导致的。
心血管系统表现
心率加快：心脏会加快跳动来试图弥补氧气的不足，心率可能会超过100次/分钟。血压变化：早期可能血压会升高，但是如果病情持续加重，血压可能会下降，提示病情比较危急。